Faulhaber DC-Kleinstmotoren 2342 und 3257: Antriebstechnik für die Rotationsoptik in Leuchttürmen

Nirgends auf der Welt gibt es so viele imposante Leuchttürme wie an den Küsten Frankreichs. (Bild: Ivan Dragiev – stock.adobe.com)

Nirgends auf der Welt gibt es so viele imposante Leuchttürme wie an den Küsten Frankreichs – für die Sicherheit der Schifffahrt sind sie mit ihren Leuchtfeuern, die auch in 40 km Entfernung noch zu sehen sind, nämlich unverzichtbar. Moderne, digitale Navigationshilfen schmälern zwar heute die Bedeutung von Leuchttürmen, können aber die visuellen Schifffahrtszeichen nicht vollständig ersetzen. Insbesondere beim Ausfall des GPS, der Elektronik oder der Stromversorgung sind Leuchttürme deshalb eine gerade in küstennahen Bereichen eine überlebenswichtige Backup-Einrichtung.

Die Linsen brechen und bündeln das in alle Richtungen ausstrahlende Licht in eine horizontale Ebene und machen es damit weit sichtbar. (Bild: Faulhaber)

Das typische Blinken weist den Weg

Die Leuchtturm-Dichte ist in Frankreich vor allem an der Ärmelkanalküste aufgrund der enormen Gezeitenunterschiede des Wasserstands besonders hoch. Hier stehen rund 120 Leuchttürme, die von der staatlichen Behörde Cerema betrieben, kontrolliert und instandgehalten werden. In den meisten von ihnen drehen sich noch die Optiken des französischen Uhrmachers Henry Lepaute (1800 bis 1885), deren Funktionsweise auf der Grundlagenforschung des Franzosen Jean Augustine Fresnel basiert. Die Linsen sind aus 20 konzentrischen Kreisen aufgebaut, mit einer Brennweite bis 700 mm. Sie brechen und bündeln das in alle Richtungen ausstrahlende Lampenlicht in eine horizontale Ebene und machen es damit weit sichtbar.

Das typische Blinken der Leuchttürme lässt sich mit drei technischen Verfahren erreichen: durch eine kontinuierliche Lichtführung mit blinkendem Leuchtmittel, einer kontinuierlichen Leuchtquelle mit starr angeordneten Linsen und umlaufender Blende sowie der Kombination aus Dauerlicht und umlaufendem Linsensystem. Letzteres ist die am häufigsten anzutreffende Variante.

Hier setzt Cerema inzwischen auf LED-Technik und erschließt sich damit die Vorteile einer langlebigen und robusten Beleuchtung. Die Verfügbarkeit liegt nach Angaben von Cerema bei rund 99 %. „Diese Betriebssicherheit wollen wir auch beim Antrieb für die Rotationsoptik erreichen“, betont Laurent Bernicot aus dem Bereich Navigations- und Positionssysteme bei Cerema. „Zuverlässigkeit war deshalb ein sehr wichtiges Kriterium bei der Antriebsauswahl und brachte uns schlussendlich zu Faulhaber-Antrieben.“

DC-Kleinstmotoren der Serien 2342 und 3257 sowie bürstenlose DC-Servomotoren der Serie 3268 – jeweils kombiniert mit abgestimmten Planetengetrieben – sind heute die treibende Kraft der verschiedenen Rotationsoptiken. Neben der generellen Funktionalität der Antriebe überzeugte in der intensiven Testphase vor allem das Verhalten gegenüber salzhaltiger Luft. „Wir haben Türme an Land und im Meer. Die Antriebe müssen auch dort sicher laufen und das nicht nur in Frankreich selbst, sondern auch in Französisch-Guayana oder den Überseeinseln Saint-Pierre und Miquelon vor der Küste Neufundlands.“

Doppelantrieb für maximale Betriebssicherheit

Der hohe Anspruch an die Betriebssicherheit schlägt sich auch konstruktiv nieder. Jede Antriebseinheit besteht aus zwei Motoren – ein Aufbau, der sich auch in deutschen Leuchttürmen wiederfindet. „Zwei Motoren sind dabei mit einem Getriebe verbunden und laufen abwechselnd“, erklärt Dirk Berger, Pressesprecher des Wasserstraßen- und Schifffahrtsamtes in Stralsund (WSA). Der wechselseitige Betrieb harmonisiert die Betriebsstunden und sichert die Verfügbarkeit, da längerer Stillstand regelmäßig Anlaufschwierigkeiten zur Folge hätte. Sollte ein Motor ausfallen, schaltet die Anlage im Leuchtturm automatisch auf den zweiten Motor um und meldet diese Störung an die Leitstelle.

„Gerade die großen Leuchttürme werden bei uns fernüberwacht“, berichtet Berger. Hierbei sind zwei Eskalationsstufen in die Steuerung integriert: Vorwarnung bei sich androhenden Störungen und der Ausfall. Überwacht wird der Betrieb mit einem Sensor, der die Zeit pro Umdrehung misst. „Die Leuchtfeuer müssen sich mit exakt der Geschwindigkeit drehen, die ihrer Kennung entspricht“, erklärt Berger.

Hinter der Kennung steckt eine besondere Art der Blinkfolge, die in den Seekarten verzeichnet ist und vor allem nachts beim Navigieren die eindeutige Zuordnung eines Leuchtturms ermöglicht. „Unser Ziel ist deshalb eine konstante Rotationsgeschwindigkeit“, erklärt Bergers französischer Kollege Laurent Bernicot aus Plouzane in der Bretagne. „Deshalb müssen wir die Motoren präzise regeln.“

Die Steuerung in den französischen Leuchttürmen ist eine Eigenentwicklung des Cerema-Fachbereichs EMF. Die Abkürzung steht für eau, mer, fleuves, also Wasser, Meer, Flüsse. Die Steuerung im Lampenhaus gibt vor, wie häufig und in welchem Takt das Licht pro Zeiteinheit zu sehen ist. Wie in Deutschland auch, misst ein Sensor die Rotationsgeschwindigkeit der Optik und überträgt die Informationen an die Steuerung. Nach der Berechnung stellt der Regler die Motordrehzahl über den analogen Sollwert direkt auf die Motorstromversorgung ein. Die Werte werden kontinuierlich kontrolliert. Wird ein Problem erkannt, speichert das Automatisierungssystem des EMF-Fachbereichs den Fehler und schaltet auf den zweiten Motor um.

Welcher der drei Motortypen zum Einsatz kommt, hängt von der Größe der Optik ab. (Bild: Faulhaber)

Die Größe der Optik bestimmt die Motorauswahl

Welcher der drei Motortypen zum Einsatz kommt, hängt von der Größe der Optik ab. Der DC-Kleinstmotor der Serie 2342 ist für kleine Optiken zugeschnitten, die nur eine geringe Motorleistung erfordern. Er liefert bei 23 mm Durchmesser und 42 mm Länge ein Dauerdrehmoment von 19 mNm. Bei mittelgroßen Optiken wird die rotierende Blende von der Serie 3257 in Bewegung gebracht, dessen Dauerdrehmoment bei 73,1 mNm liegt. Mit einem Durchmesser von 32 mm und 57 mm Länge ist auch dieser Motor sehr kompakt.

Für den Einsatz in leistungsstarken Anlagen mit hoher Leuchtintensität und entsprechend schwerer Konstruktion sind schließlich die bürstenlosen, vierpoligen Servomotoren der Serie 3268 eingesetzt. Wenn Laurent Bernicot von „schweren Anlagen“ spricht, dann steckt dahinter eine Scheinwerferoptik, deren Masse zwischen 200 kg und einer Tonne liegt. Wichtig ist deshalb bei der Auslegung abseits des Normalbetriebes, dass die Motoren kräftige Spitzenmomente liefern, um die hohen Anfahrdrehmomente zwischen 5 und 8 Nm sicher zu beherrschen. „Auch das war ein wesentlicher Grund für die Auswahl der Faulhaber-Motoren“, erklärt Bernicot. Kommt es hingegen zum Stillstand, weil die Leuchttürme nur in der Nacht in Betrieb sind, dann wird beim Anhalten des Scheinwerfers die Optik über einen in der Rotationsmaschine integrierten Freilauf vom Motor entkoppelt.

Vom Turmuhrantrieb zum hochpräzisen Elektromotor

Vor gut 100 Jahren wurden die Optiken auf Leuchttürmen noch von einem Turmuhrantrieb gedreht. Hierbei handelte es sich vom Konstruktionsprinzip her tatsächlich um ein angepasstes mechanisches Uhrwerk für Kirchen, das vom Leuchtturmwärter regelmäßig durch Heben von Gewichten wieder aufgezogen werden musste. „In den 1930er Jahren kamen die ersten Elektroantriebe“, berichtet Dirk Berger. Eine weitere Modernisierungswelle startete in den 1980er Jahren. Diese Technik ist teilweise noch heute in Betrieb, wird aber sukzessive auf die neuen Antriebslösungen umgerüstet. Da die Rahmenbedingungen bei Leuchttürmen wegen der Ansprüche an die Verfügbarkeit mit langen Wartungsintervallen anspruchsvoll sind, ist es wichtig, eine enge Projektpartnerschaft zu pflegen. Cerema und die französische Faulhaber-Niederlassung arbeiten deshalb seit 2011 eng zusammen.